數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)于衛(wèi)紅(南京師范大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 ,江蘇 南京 210042 )摘要 針對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床進(jìn)給系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀以及存在問(wèn)題 ,對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床進(jìn)給系統(tǒng)中的橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析 ,明確了這類(lèi)高速運(yùn)動(dòng)部件在受到運(yùn)動(dòng)加速載荷的工況下的結(jié)構(gòu)位移 ,確定了以橫梁動(dòng)載荷為主要受力狀態(tài)的分析條件 ,通過(guò)對(duì)分析對(duì)象 的合理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 ,制定了橫梁在分析中的邊界條件 ,并采用 A PDL 語(yǔ)言將有限元模型參數(shù)化 ,分析結(jié)果為高速數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)計(jì)算的依據(jù) ,改變了依靠類(lèi)比設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法. 計(jì)算表明 ,在橫梁板厚減薄的情況下 ,這一關(guān)鍵部件 同樣可以滿足機(jī)床

2、的加工精度和運(yùn)動(dòng)要求. 由此減輕了機(jī)床結(jié)構(gòu)件的重量 ,降低了成本.關(guān)鍵詞 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床 ,進(jìn)給機(jī)構(gòu) ,有限元分析 ,優(yōu)化設(shè)計(jì)中圖分類(lèi)號(hào) TH164 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1672 21292 ( 2010) 0220021 206Ana ly s is an d O p t im iza t ion for the Servo2Beamof A C NC Turre t Pun ch Pre ssYu W e iho ng( Schoo l of E lec trica l and A u tom a tion Enginee ring, N an jing No rm a l U n iv

3、e rsity, N an jing 210042 , Ch ina)A b stra c t: B a sed on the study of the feed ing system of CNC tu rre t p unch p re ss, the beam struc tu re of a CNC tu rre tp unch p re ss is taken a s the re sea rch ob jec t. The d isp lacem en t of th is k ind of h igh sp eed moving p a rts ha s been ob ta i

4、ned unde r dynam ic load w ith its comp u ta tion cond ition. B y the simp lifica tion of the beam , the defin ition of its bounda ry con2 d ition, and A PDL language app lica tion, the p a ram e tric mode l a re ana lyzed. Th rough the ana lysis of p unch a llowance, the de sign da ta fo r the se r

5、vo2beam ha s been ach ieved w ith sc ien tific m e thod, wh ich is to ta lly d iffe ren t from the trad itiona l ana logy m e thod in th is indu stry. The re sea rch show s tha t the th in wa ll struc tu re ha s a lmo st no affec t on the m ach ine ac2 cu racy becau se the beam ha s enough rigid ity

6、 in bo th X and Y and the we igh t of the m ach ine too l can be fu rthe r ligh tened to cu t the p roduc t co st.Key word s: CNC tu rre t p unch p re ss, feed ing system , FEM , op tim iza tion de sign數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床是一種加工多孔薄板的自動(dòng)化設(shè)備. 由于機(jī)床公稱力大 ,進(jìn)給速度高 ,且沖壓頻率高 ,在工作過(guò)程中 ,往往會(huì)引起運(yùn)動(dòng)部件的抖動(dòng) ,甚至造成進(jìn)給機(jī)構(gòu)的橫梁變形 ,引起沖孔位置精度下降 ,模

7、具壽 命縮短 ,因此數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接影響設(shè)備的加工速度 、加工精度 、工作穩(wěn)定性和可 靠性 1 . 本文以大型通用有限元分析軟件 AN SYS為分析工具 ,對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件橫梁進(jìn)行有限元建模及靜態(tài)特性分析 ,并在分析的基礎(chǔ)上 ,根據(jù)輕量化設(shè)計(jì)的思想 2 ,對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì) .1 橫梁結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性分析1. 1 橫梁有限元模型的建立在 CAD 軟件中建立的分析對(duì)象幾何模型可以通過(guò) AN SYS與 CAD 軟件的接口直接導(dǎo)入 AN SYS環(huán)境 中 . 在建模過(guò)程中 ,需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化使模型易于建立和分析 ,并確保原始分析對(duì)象的主要結(jié)構(gòu)力學(xué)性 能不發(fā)生變化 . 考慮

8、下列假設(shè)和簡(jiǎn)化 :( 1 ) 忽略橫梁上明顯不會(huì)影響其整體強(qiáng)度和剛度的部分細(xì)節(jié) ,如彎角 、筋板等 ;收稿日期 : 2010 203 215.通訊聯(lián)系人 : 于衛(wèi)紅 ,講師 ,研究方向 :機(jī)械制造及自動(dòng)化. E2m ail: 63032 n jnu. edu. cn 21 南京師范大學(xué)學(xué)報(bào) (工程技術(shù)版 )第 10卷第 2期 ( 2010年 )( 2 ) 各折彎部件之間的焊接假設(shè)為等強(qiáng)焊接 , 其強(qiáng)度等于折彎件本身的強(qiáng)度 .橫梁有限元模型圖如圖 1所示 .1. 2 載荷與邊界約束條件在數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床實(shí)際工作中 ,橫梁上的夾鉗將夾緊板 材 ,并以 10 m / s2 的加速度在導(dǎo)軌上高速運(yùn)動(dòng) ,到

9、達(dá)給定位 置進(jìn)行沖壓加工. 由于橫梁采用的是鋼板焊接薄壁結(jié)構(gòu) ,本身重量和受到的載荷有限 ,因此分析中主要考慮橫梁高速 運(yùn)動(dòng)下 ,結(jié)構(gòu)質(zhì)量或慣性載荷的作用 3 .考慮橫梁的結(jié)構(gòu)所含的質(zhì)量分布以及橫梁的加速度相 關(guān) ,采用分布載荷 4 ,表達(dá)式 4 如下 :F =M a.假設(shè)橫梁的高速運(yùn)動(dòng)加速度數(shù)值為 10 m / s2 ,方向?yàn)?x軸正向. 忽略橫梁底部絲桿座 ,認(rèn)為橫梁承受自 重外 ,主要承受加速度引起的慣性力.1. 3 計(jì)算結(jié)果分析與研究由于影響數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床沖孔精度的主要因素是橫梁產(chǎn)生的位移 ,將造成夾鉗夾持板材出現(xiàn)偏差 ,所以 本文把橫梁的位移作為研究重點(diǎn) . 確定了上面的條件 ,經(jīng)過(guò)計(jì)

10、算機(jī)運(yùn)算 ,得出了橫梁結(jié)構(gòu)位移分布 ,應(yīng)力分布 ,如圖 2 和圖 3所示.強(qiáng)度特征 :從橫梁的應(yīng)力分布圖來(lái)看 ,結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在縱向進(jìn)給的支持面處 ,應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力. 由于承受慣性力的影響 ,且處于結(jié)構(gòu)兩支撐面中間 ,因此 ,其應(yīng)力分布相對(duì)均勻 ,應(yīng)力范 圍出現(xiàn)在兩支撐面之間 ,在支撐面附近加大 .剛度特征 :從橫梁位移圖來(lái)看 ,結(jié)構(gòu)的位移變化發(fā)生在結(jié)構(gòu)的兩端 ,而最大位移發(fā)生在結(jié)構(gòu)的最右端.主要原因是結(jié)構(gòu)的最右端剛度相對(duì)薄弱 ,因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮安裝橫向進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)電機(jī) .通過(guò)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析 ,在結(jié)構(gòu)承受靜態(tài)載荷作用下 ,進(jìn)給機(jī)構(gòu)的應(yīng)力值和位移值都比較小. 結(jié)構(gòu)發(fā)生

11、的最大應(yīng)力為 101141 M Pa,遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力 ,強(qiáng)度上滿足使用要求 ,同時(shí)結(jié)構(gòu)的最大變形為 01229mm ,剛度也滿足要求 6 . 由此可見(jiàn) ,結(jié)構(gòu)在整體強(qiáng)度和剛度方面都有比較大的裕量 ,可以優(yōu)化進(jìn)給機(jī)構(gòu)橫 梁鋼板的厚度以減輕進(jìn)給機(jī)構(gòu)的質(zhì)量 ,降低成本.2 橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)2. 1 橫梁焊接板的厚度對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的影響從橫梁的組成來(lái)看 ,其結(jié)構(gòu)基本都是通過(guò)板的焊接構(gòu)成的 1 ,一共有 3 種厚度的板 ,其中大部分都是8 mm 鋼板的焊接結(jié)構(gòu) ,定義為 T1; 加強(qiáng)肋部分定義為 T2 ,為 12 mm; 橫向進(jìn)給電機(jī)座后擋板厚度定義為 22 于衛(wèi)紅 :數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁結(jié)構(gòu)

12、的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)T3 ,為 20 mm. 下面通過(guò)對(duì)這些板的厚度的分析 ,找出板的厚度與結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的對(duì)應(yīng)關(guān)系 ,從而對(duì)這些板進(jìn)行優(yōu)化 .2. 2T1的變化對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的影響T1的變化范圍是 412 mm ,引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形變化如圖 4和圖 5所示.從結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖中可以看出 ,由于鋼板厚度的增加 ,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度得到提高 ,應(yīng)力先是隨著 T1鋼板厚度的增加而減小 ; 但鋼板厚度繼續(xù)增大時(shí) ,由于結(jié)構(gòu)重量的增加 ,慣性力增大 ,反而引起了應(yīng)力值的 上升. 而在結(jié)構(gòu)變形變化圖中 ,可以看出結(jié)構(gòu)的變形是隨著鋼板 T1 厚度的增加而逐漸減小的 ,與實(shí)際情況相符合.2. 3T2、T3的變化對(duì)

13、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的影響盡管由于板 T2 和 T3在整個(gè)機(jī)構(gòu)中所占的比重相對(duì)T1來(lái)講很少 , T2和 T3板厚變化對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和變形產(chǎn)生的影響不大 ,但是 T2、T3 的影響卻不能忽略 . 這一點(diǎn)從圖上數(shù)值也可以得到驗(yàn)證 . T1 的圖 23 南京師范大學(xué)學(xué)報(bào) (工程技術(shù)版 )第 10卷第 2期 ( 2010年 )中對(duì)最大應(yīng)力的影響從 912 1211 M Pa (反映在縱坐標(biāo)上 ) ,區(qū)間長(zhǎng)度 219 M Pa, T2、T3 對(duì)最大應(yīng)力的影響分別是 9120 9129 M Pa和 9104 9127 M Pa,區(qū)間長(zhǎng)度為 0109 M Pa和 0123 M Pa,分別是 T1 引起的應(yīng)力變

14、 化的 311 %和 719 % ; 結(jié)構(gòu)的變形方面 ,在 T1變化的過(guò)程中 ,變形值變化區(qū)間 0120 0127 mm , 區(qū)間長(zhǎng)度為 0107 mm , T2 變化引起變形值的改變?yōu)?01002 7 mm ( 01210 401207 7 mm ) , T3變化引起變形值的改變?yōu)?01009 mm ( 0121301204 mm ) ,分別為 T1 引起形變的 319 %和 1219 %. 同時(shí) ,在后面的分析中還可以看 到 , T2、T3對(duì)整體動(dòng)態(tài)的特性也有舉足輕重的影響 ,因此需要同時(shí)對(duì)這 3種不同的板厚進(jìn)行綜合優(yōu)化 .3 橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化為了保證進(jìn)給機(jī)構(gòu)能正常工作 ,對(duì)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和

15、最大變形等做了一定的限制 ,形成優(yōu)化分析中的 狀態(tài)變量 ,構(gòu)成了優(yōu)化設(shè)計(jì)的另一種約束 ,即行為約束或稱作性能約束. 而結(jié)構(gòu)上的焊接板的厚度則構(gòu)成 了優(yōu)化過(guò)程中的設(shè)計(jì)變量 . 同時(shí)為了減輕重量和降低成本 ,我們定義結(jié)構(gòu)的體積是優(yōu)化目標(biāo)函數(shù) 7 .在此我們根據(jù)廠家提供的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格即最大變形應(yīng)小于等于 01300 mm ,查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 結(jié)構(gòu)最大的等效應(yīng)力 (馮氏應(yīng)力 )應(yīng)小于等于 130 M Pa的數(shù)據(jù) ,作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的性能約束 7 . 假設(shè)最大變形不超過(guò) 013 mm , 許用應(yīng)力 130 M Pa; T1 = 216 mm; T2 = 224 mm; T3 = 240 mm. 對(duì)于上述問(wèn)題采

16、用零階方法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算 8 . 通過(guò) 11次優(yōu)化迭代 ,得到優(yōu)化分析結(jié)果如下 :SET 11( FEA S IBL E)DMAX ( SV ) 01290 96 mmSMAX I ( SV ) 121893 M PaT1 (DV )T2 (DV ) T3 (DV )VOLUM E41820 1 mm81530 4 mm1112961 mm(OBJ ) 0137426 E + 08 mm3目標(biāo)函數(shù) VOLOM E的收斂情況如下圖所示 :狀態(tài)變量 T1、T2、T3的變化情況如表 1所示 :表 1 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比Ta b le 1 The op t im iza t ion re su lts con

17、 tra st參數(shù)原設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果效果對(duì)比最大變形 DMAX最大應(yīng)力 SMAX I T1 厚度T2 厚度 T3 厚度 體積01229 mm101141M Pa8 mm12 mm20 mm01556943 E + 08 mm301291 mm121893 M Pa41820 mm81530 mm111296 mm0137426 E + 08 mm3在允許的剛度范圍內(nèi)在允許的強(qiáng)度范圍內(nèi) 減少 40 %減少 30 % 減少 40 % 減少 33 % 24 于衛(wèi)紅 :數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床橫梁結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)即當(dāng) T1 = 41820 mm、T2 = 81530 mm、T3 = 111296 mm 時(shí)得到

18、最優(yōu)解 , 這時(shí) 進(jìn)給 結(jié) 構(gòu)的 最大 變 形為01291 mm ,最大應(yīng)力值為 121893 M Pa,符合約束條件和橫梁的工作要求 . 優(yōu)化后整個(gè)結(jié)構(gòu)的體積僅約為原 來(lái)的 67 %左右 ,大大減輕了重量 ,材料的潛力得到了充分的挖掘. 由此證明優(yōu)化的結(jié)果是令人滿意的 . 實(shí) 際修改中 ,可以將參數(shù)分別取整為 : T1 = 5 mm; T2 = 9 mm; T3 = 12 mm.4 橫梁優(yōu)化效果評(píng)估應(yīng)用上述優(yōu)化方法對(duì)高速數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的橫梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) ,改進(jìn)其原設(shè)計(jì)方案 ,使機(jī)床的靜 態(tài)特性得到較大的改善 ,動(dòng)力分析如表 2. 數(shù)據(jù)表明 ,優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性完全滿足要求.表 2 優(yōu)化

19、后橫梁的模態(tài)頻率Ta b le 2 The op t im iza t ion of beam m oda l frequen cy階數(shù)1 階2 階3 階4 階5 階6 階341528721339781248109166140140150114頻率 /H z從結(jié)構(gòu)的振動(dòng)結(jié)果也可以看出 :( 1 ) 結(jié)構(gòu)的振型基本都是以結(jié)構(gòu)上的焊接板的彎曲和扭轉(zhuǎn)為主 ,同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)整體中出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)變形.( 2 ) 對(duì)于優(yōu)化后的結(jié)構(gòu) ,由于板的厚度使用了優(yōu)化后的數(shù)值 (數(shù)值上變小了 ) ,因此結(jié)構(gòu)的頻率比原 始結(jié)構(gòu)的頻率有所下降 .( 3 ) 進(jìn)給結(jié)構(gòu)中的橫向進(jìn)給電機(jī)的型號(hào)是 YD132M 6 /4 ,轉(zhuǎn)速 1 0

20、00 1 500 r /m in,工作的固有頻率 為 161725 H z,而本結(jié)構(gòu)的基頻頻率為 341589 H z,電機(jī)的工作頻率和結(jié)構(gòu)的基頻不在同一個(gè)頻段內(nèi) ,因 此結(jié)構(gòu)工作過(guò)程中不會(huì)發(fā)生共振或者發(fā)生激烈的振動(dòng). 優(yōu)化后的模型的動(dòng)力特性符合要求 .( 4 ) 這類(lèi)結(jié)構(gòu)件由于其在 X 和 Y 方向上具有較表 3 優(yōu)化后機(jī)床的測(cè)試數(shù)據(jù) Ta b le 3 The m a ch in e te st da ta a f ter op t im iza t ion 寬的結(jié)構(gòu) ,故在前幾階振型上對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的加工精度影響不大 .另外 ,對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的機(jī)床和原設(shè)計(jì)機(jī)床也進(jìn) 行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 ,其主要

21、測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表 3. 從表 3 可以看出 ,機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性也得到了明顯改善 .參數(shù)原設(shè)計(jì)機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)組01061900103882振動(dòng)位移 /mm廠房?jī)?nèi)噪聲值 / dB5 結(jié)論本文以有限元軟件 AN SYS為工具平臺(tái) ,根據(jù)輕量化設(shè)計(jì)的思想 ,對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析和優(yōu) 化設(shè)計(jì) ,優(yōu)化后整個(gè)結(jié)構(gòu)的體積僅為原來(lái)的 67 %左右 ,大大減輕了重量 ,降低了沖床的制造成本 ,機(jī)床的 靜態(tài) 、動(dòng)態(tài)特性得到明顯改善 . 整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程全部在計(jì)算機(jī)環(huán)境中完成 ,大大地縮短了設(shè)計(jì)周期 ,降低了設(shè) 計(jì)成本 ,提高了設(shè)計(jì)水平 ,產(chǎn)品性能更加優(yōu)越 ,產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益更高 ,為高速數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè) 計(jì)提供

22、了科學(xué)計(jì)算的依據(jù) ,從而改變了這類(lèi)加工裝備依靠類(lèi)比設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法 . 25 南京師范大學(xué)學(xué)報(bào) (工程技術(shù)版 )第 10卷第 2期 ( 2010年 )參考文獻(xiàn) ( R efe rence s) 1 劉振堂 . 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床發(fā)展新進(jìn)展 J . 鍛壓裝備與制造技術(shù) , 2003 ( 3 ) : 23225.L iu Zhengtang. N ew deve lopm en t of CNC tu rre t p unch p re ss J . Fo rging Equ ipm en t and M anufac tu re, 2003 ( 3 ) : 23225. ( in Ch ine se)

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